湖北省偏硅酸型礦泉水水文地球化學特征及成因分析

翟振飛,譚光超,李智民,石長柏,王萬里

(1.湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 荊州 434020; 2.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點實驗室,湖北 荊州 434020)

偏硅酸型(含偏硅酸—鍶復合型)礦泉水是常見的飲用天然礦泉水類型之一,深受礦泉水市場青睞,消費需求量逐漸攀升。國內(nèi)學者對偏硅酸型礦泉水的研究較多,除了對單點偏硅酸型礦泉水水質(zhì)特征和成因模式的研究[1-3],還注重對區(qū)域偏硅酸型礦泉水成礦規(guī)律的總結(jié)[4-6]。湖北省飲用天然礦泉水資源較豐富,截至2022年,全省共發(fā)現(xiàn)飲用天然礦泉水83處,其中偏硅酸型礦泉水有53處(含偏硅酸—鍶復合型29處)。?？姷萚7]將湖北省飲用天然礦泉水劃分為鍶型、偏硅酸型、鍶—偏硅酸復合型、硒型、硒—鍶復合型等5種類型,總結(jié)提出斷裂深循環(huán)型、裂隙淺循環(huán)型、層間緩慢徑流型等3種成因類型。文美霞等[8]將湖北省飲用天然礦泉水劃分為構(gòu)造斷裂型含鍶—偏硅酸礦泉水區(qū)、基巖裂隙型含鍶—硒—偏硅酸礦泉水區(qū)、沉積盆地型含鍶—偏硅酸礦泉水區(qū)等三大礦泉水分區(qū)。上述研究極大地提升了湖北省飲用天然礦泉水的研究程度,為快速選擇水源地提供了重要依據(jù),然而對偏硅酸型礦泉水的專門研究幾乎沒有,限制了該類型礦泉水的成因認識。本文在系統(tǒng)收集湖北省偏硅酸型礦泉水地質(zhì)資料和水質(zhì)分析數(shù)據(jù)的基礎上,開展水文地球化學特征和成因研究,助力偏硅酸型礦泉水勘查評價與開發(fā)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

湖北省處于中國地勢第二階梯與第三階梯的過渡地帶,地貌類型多樣,山地、丘陵、崗地、平原皆有。具亞熱帶季風氣候,全省年均氣溫為15～17℃,夏季平均降雨量為300～700 mm,冬季平均降雨量為30～190 mm。6月中旬—7月為梅雨期,降雨最多,強度最大。湖北省河湖水系發(fā)育,屬于長江流域,水資源較豐富。

1.2 地質(zhì)背景

湖北省大地構(gòu)造位置主要跨2個二級構(gòu)造單元,北部為南秦嶺—大別中生代造山帶,南部大部分為揚子陸塊[9],除缺失上志留統(tǒng)上部與下泥盆統(tǒng)下部外,元古界—新生界其余地層均有不同程度出露,且發(fā)育良好、層序較完整。南秦嶺—大別中生代造山帶主要分布變質(zhì)巖、巖漿巖,揚子陸塊主要分布沉積巖。不同的地層巖性控制著礦泉水的物質(zhì)成分,SiO2含量較高的巖漿巖、碎屑巖為偏硅酸型礦泉水的形成提供了物質(zhì)基礎和水文地球化學環(huán)境[10]。

湖北省發(fā)育NW、EW、NNE、NE、NNW等5組斷裂體系,控制了不同時代地層的發(fā)育、構(gòu)造形變、巖漿噴出或侵入活動,改變了巖石地層物性,改善了水溶性SiO2的遷移富集條件。

湖北省地下水類型發(fā)育齊全,松散巖類孔隙水、碎屑巖裂隙孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水、變質(zhì)巖裂隙水、巖漿巖裂隙水等均有分布(圖1)。降水豐富,地形起伏多變,巖性齊全,構(gòu)造發(fā)育齊全,發(fā)育出眾多類型的地下水系統(tǒng),為礦泉水的形成提供了豐富的流體來源。

1.3 偏硅酸型礦泉水分布規(guī)律

1.3.1地層巖性控制

湖北省偏硅酸型礦泉水分布于鄂西北、鄂東北、江漢平原、鄂東的藥姑山和大幕山等地,主要賦存于震旦系—奧陶系碳酸鹽巖、古近系—第四系碎屑巖、前震旦系變質(zhì)巖地層和部分巖漿巖中。53處偏硅酸型礦泉水中,9處賦存于震旦系—奧陶系白云巖、灰?guī)r中,如宜城華嚴寺礦泉水(W30);1處賦存于志留系砂巖破碎帶中,即武漢清泉礦泉水(W16);1處賦存于三疊系灰?guī)r中,即黃石啤酒廠礦泉水(W51);1處賦存于侏羅系砂巖中,即秭歸高峽礦泉水(W32);26處賦存于古近系、新近系和第四系砂礫巖中,如枝江顧家店礦泉水(W36);2處賦存于古近系砂巖夾玄武巖中,如荊州跑馬泉礦泉水(W37);1處賦存于新近系泥灰?guī)r和三疊系中砂巖中,即荊門十里牌礦泉水(W34);3處賦存于前震旦系變質(zhì)巖地層中,如英山三門河礦泉水(W20)賦存于大別群鐵冶組。其他9處賦存于巖漿巖中,包括玄武巖中3處,如安陸碧山礦泉水(W44);石英閃長巖中1處,即大冶天臺礦泉水(W52);花崗巖中4處,如通山九宮山礦泉水(W24);流紋巖和安山巖中1處,即鄂州金雞坡礦泉水(W17)。

1.3.2斷裂構(gòu)造控制

斷裂改善了巖體物性,對地下水賦存和運移、巖體風化和水巖作用、有益元素富集等均有積極作用[11]。礦泉水多與斷裂構(gòu)造匹配產(chǎn)出,沿斷裂帶呈串珠或帶狀分布,特別是一些活動斷裂帶。湖北省偏硅酸型礦泉水中受深大斷裂影響的有9處,其中青峰斷裂帶有5處,包括房縣鳳凰山(W25)、龍王山(W26)、小湯池(W27),谷城薤山(W28),保康湯池峽(W2)等礦泉水;荊門斷裂帶有1處,即荊門十里牌礦泉水(W34);大洪山逆掩斷裂帶有1處,即宜城華嚴寺(W30);客店—龍炮寨斷裂帶有1處,即鐘祥長壽礦泉水(W31);陽日—九道斷裂帶有1處,即神農(nóng)架陽日礦泉水(W1)。此外,受小型斷裂控制有18處,如英山三門河礦泉水(W20)等。

1.3.3巖漿巖控制

單一偏硅酸型礦泉水多分布在巖漿巖區(qū),尤其是燕山期花崗巖區(qū),如黃梅紫云山礦泉水(W22)賦存于燕山期龍坪巖體的花崗巖中,鄂州金雞坡礦泉水(W17)賦存于流紋巖和英安巖中,武穴綠林礦泉水(W21)出露于燕山期梅川雜巖體近中心的二長花崗巖中,通城楊源礦泉水(W23)賦存在受斷裂改造的燕山早期花崗巖脈中,通山九宮山礦泉水(W24)出露于燕山早期花崗巖體過渡相的中—細粒黑云母花崗巖中,大冶天臺礦泉水(W52)出露于燕山期靈鄉(xiāng)雜巖體黑云角閃石英閃長巖中。此外,還有3處位于玄武巖中,如安陸碧山(W44)、金泉(W45)、加力太白(W46)等礦泉水。

2 材料和方法

2.1 材料

本次收集了偏硅酸型礦泉水水質(zhì)檢測報告41份,相關(guān)數(shù)據(jù)(常規(guī)指標為一期檢測結(jié)果,H2SiO3和Sr含量為多期檢測結(jié)果)列于表1,其中16份檢測報告屬單一偏硅酸型礦泉水(表中W1-W24),25份檢測報告屬偏硅酸—鍶復合型礦泉水(表中W25-W53)。這些檢測報告時間跨度較長,有關(guān)評價標準和規(guī)范已發(fā)生變化,本次研究均參照最新標準[12-13]。

2.2 方法

利用Origin2022編制礦泉水Durov圖、Schoeller圖,研究偏硅酸型礦泉水水化學特征。利用H-O同位素關(guān)系圖、主要離子相關(guān)矩陣圖、Gibbs圖、離子比例圖,研究偏硅酸型礦泉水水文地球化學特征,并進一步討論其成因類型。

3 礦泉水水化學特征

3.1 基本特征

由表1和圖2可以看出,湖北省偏硅酸型礦泉水的pH為6.5～8.32,為中性—弱堿水;溶解性總固體(TDS)含量為45.07～638.45 mg/L,平均為364.54 mg/L,皆為淡水;總硬度(以CaCO3計)為3.04～488.8 mg/L,平均為234.80 mg/L,從極軟水到極硬水皆有,以微硬水為主;水溫為17～42℃,屬冷水—熱水,其中神農(nóng)架陽日(W1)、保康湯池峽(W2)、鐘祥長壽(W31)、崇陽浪口(W53)等4處礦泉水的水溫>36℃,屬于溫礦(泉)水。

圖2 偏硅酸型礦泉水Durov圖

偏硅酸型礦泉水的陽離子以Ca2+為主,含量為0.811～147.10 mg/L,平均為61.74 mg/L;Na+次之,含量為1.6～106.00 mg/L,平均為25.63 mg/L;Mg2+含量為0.246～37.1 mg/L,平均為19.56 mg/L;K+含量較低,為0.5～5.34 mg/L,平均為1.84 mg/L。Ca2+相對含量為11.01%～86.79%,平均為53.86%;Na+相對含量為1.36%～71.94%,平均為26.77%;Mg2+相對含量為3.34%～30.46%,平均為16.94%。

圖3 偏硅酸型礦泉水Schoeller圖

3.2 水化學類型

礦泉水中摩爾分數(shù)>25%的陰陽離子參與水化學類型命名[12],結(jié)合水化學檢測結(jié)果,可將湖北省偏硅酸型礦泉水水化學類型分為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na、SO4·HCO3-Ca、SO4·HCO3-Na·Ca、HCO3·Cl-Mg·Ca·Na等(圖2),以前兩種為主,分別占總數(shù)的36.59%和34.15%。

礦泉水中陰陽離子的含量主要受地層巖性、構(gòu)造、環(huán)境壓力、水動力條件及地下水補給來源、運移距離、循環(huán)深度、水溫等條件的綜合影響,總之與礦泉水成因密切相關(guān)[15]。

4 礦泉水成因分析

4.1 H-O同位素分析

部分偏硅酸型礦泉水樣品的H-O同位素分析結(jié)果見表2,反映礦泉水δD為-61.8‰～-48.1‰,平均為-54.36‰;δ18O為-9.65‰～-5.65‰,平均為-7.74‰。將上述樣品投到H-O同位素關(guān)系圖中(圖4),可以看出大多數(shù)樣品落在全球大氣降水線[16]和中國大氣降水線[17]附近,指示礦泉水主要來源于大氣降水補給。但鐘祥長壽(W31)、荊門沙洋(W35)、荊州望龍泉(W39)等3處礦泉水偏離大氣降水線較遠,這可能有兩個原因:一是礦泉水受埋藏水補給,埋藏水中H2S、CH4與礦泉水中D發(fā)生同位素交換,δD發(fā)生變化;二是強烈的水巖作用引起礦泉水中18O漂移。此外,偏硅酸型礦泉水中3H檢測值為<1～(18.07±8.6)TU,反映了礦泉水從補給區(qū)運移至排泄區(qū)的時間相差較大[18]。

表2 偏硅酸型礦泉水H-O同位素統(tǒng)計表

圖4 偏硅酸型礦泉水H-O同位素關(guān)系圖

4.2 離子相關(guān)性分析

利用Origin2022軟件對41組樣品的主要化學指標進行Spearman相關(guān)性分析(圖5),所得顯著性水平均<0.05,認為Spearman模型有效。結(jié)果顯示湖北省偏硅酸型礦泉水中H2SiO3和Sr與其他離子的相關(guān)性較差,這與礦泉水賦存巖石類型多樣有關(guān)。

圖5 偏硅酸型礦泉水主要離子相關(guān)矩陣圖

4.3 Gibbs圖解

圖6 偏硅酸型礦泉水Gibbs圖

4.4 離子比例系數(shù)

圖7 偏硅酸型礦泉水離子比例圖

4.5 礦泉水成因分析

巖石中硅酸鹽礦物的風化和溶解是地下水中H2SiO3的主要來源[24]。巖石地球化學條件即礦物組成和晶體結(jié)構(gòu)、溶解度等,決定著H2SiO3的來源——非晶質(zhì)SiO2的豐度及其溶濾釋放的難易程度[5],進而影響了對地下水供給可溶性SiO2的數(shù)量和速率。水中可溶性SiO2濃度還受到水巖作用中固相含硅礦物豐度,液相介質(zhì)的補給、徑流途徑,以及風化產(chǎn)物端次生礦物的溶解度等因素的綜合影響。巖石風化和水化學作用控制著硅酸鹽礦物中Si的遷移轉(zhuǎn)化過程,地下水溫度、CO2含量和水巖反應時間對硅酸鹽礦物水解產(chǎn)生正向影響,其中溫度和水巖反應時間主要受地下水循環(huán)深度的控制[25]。同種巖性條件下,水中偏硅酸含量與水溫呈正相關(guān)關(guān)系;相同溫度下,玄武巖、砂礫石、花崗巖、變質(zhì)巖、碳酸鹽巖中賦存的地下水中H2SiO3含量依次降低(表1)。

湖北省偏硅酸型礦泉水分為構(gòu)造斷裂深循環(huán)型、裂隙淺循環(huán)型和層間緩慢徑流型三種[7]。地質(zhì)構(gòu)造條件、地球化學條件和地下水水動力條件不同,影響礦泉水形成的水巖作用過程就不盡相同,礦泉水的水化學類型,尤其是微量元素含量就會相差各異(表1)。

受大型斷裂控制的構(gòu)造斷裂深循環(huán)型礦泉水,其沿活動斷裂帶深循環(huán),或者接受巖體放射性元素衰變供熱,水溫多在30°以上。多源CO2尤其深部幔源CO2上逸參與水巖作用,促進了硅酸鹽礦物的溶解,推測深部富硅地熱水與淺源地下水發(fā)生對流混合,形成了偏硅酸型礦泉水。如宜城華嚴寺礦泉水(W30),其水溫為30℃,3H為11.4TU,周圍冷泉的3H為31.7TU,反映了華嚴寺礦泉水有一個長時間的運移過程,其水循環(huán)深度可能有2 603 m,因此循環(huán)壓力也相當大,高溫高壓環(huán)境有利于硅酸鹽礦物的水解。這類礦泉水水化學類型主要有重碳酸鈣鎂型(W1、W2、W26、W28、W31、W53)、重碳酸氯化物鈣鎂鈉型(W27)、重碳酸氯化物鈣鎂型(W25)、重碳酸硫酸鈣鎂型(W30),礦泉水中各種微量元素比較齊全,且Cl、F含量高于其他成因的礦泉水。

受小型斷裂改造的裂隙淺循環(huán)型礦泉水多以泉形式自然出露地表,主要分布于山區(qū)溝谷兩側(cè)。這類礦泉水賦存于三大類巖性的基巖中,循環(huán)深度較淺,水溫多為12～18℃,少數(shù)為22℃以上。大氣降水入滲后沿裂隙或巖溶向下徑流,與淺源CO2共同作用,溶濾斷裂、裂隙面風化的長石礦物形成H2SiO3,并不斷富集其他特殊元素,形成了偏硅酸型礦泉水。在變質(zhì)巖中,礦泉水水化學類型多為重碳酸鈣型(W18、W20)和重碳酸鈣鈉型(W19)。在中酸性巖漿巖(安山巖和花崗巖類)中,礦泉水水化學類型主要為重碳酸鈉鈣型(W21、W24)、重碳酸鈣型(W22、W23),其次為重碳酸鈣鎂型(W17)、重碳酸硫酸鈣型(W52);而基性巖漿巖(玄武巖)中則以重碳酸鈣鎂型為主(W45、W46),其次為重碳酸硫酸鈣鎂型(W44)。在碎屑巖中,礦泉水水化學類型主要為重碳酸鈣鎂型(W32、W37、W39)和重碳酸鈣鈉型(W16)。

賦存于古近系—第四系砂礫巖中的層間緩慢徑流型礦泉水,含水層上下普遍有相對隔水層,如江漢盆地、南襄盆地孔隙裂隙型含水巖組中,水力坡度為0.7×10-4～3.0×10-4,滲透系數(shù)為5～16 m/d,徑流滯緩,水溫多在17～22℃。在長時間的滲流過程中,含水介質(zhì)中非晶質(zhì)SiO2緩慢地自然風化水解,溶濾作用和離子交換吸附充分,最終也能形成偏硅酸型礦泉水。這類礦泉水水化學類型相對簡單,主要為重碳酸鈣型或重碳酸鈣鎂型,偶見重碳酸鈣鎂鈉型(W33)。

5 結(jié)論

(1) 湖北省有53處偏硅酸型礦泉水,其分布受地層巖性和構(gòu)造控制;水溫為17～42℃,主要為中性—弱堿性淡水,以微硬水為主;水化學類型主要為HCO3-Ca·Mg和HCO3-Ca型。

(2) 湖北省偏硅酸型礦泉水補給來源主要為大氣降水,偶有埋藏水。礦泉水中H2SiO3含量與主要離子沒有明顯相關(guān)性,這可能與礦泉水分布在多種巖石類型中有關(guān)。礦泉水成因為巖石風化和水巖作用,水在循環(huán)過程中發(fā)生了硅酸鹽礦物溶解和離子交換吸附(主要為正向離子交換吸附)。

(3) 湖北省偏硅酸型礦泉水分為構(gòu)造斷裂深循環(huán)型、裂隙淺循環(huán)型和層間緩慢徑流型三種,它們的地質(zhì)構(gòu)造條件、地球化學條件和地下水水動力條件不同,導致水巖作用過程不盡相同,從而造成礦泉水的水化學類型,尤其是微量元素含量相差較大。